فيديو الدرس: الغازات النبيلة | نجوى فيديو الدرس: الغازات النبيلة | نجوى

فيديو الدرس: الغازات النبيلة الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نقارن بين الخواص الفيزيائية للغازات النبيلة، ونشرح خاصية الخمول لديها بدلالة ملء الغلاف الإلكتروني.

٢٠:٣٩

نسخة الفيديو النصية

الغازات النبيلة هي مجموعة من الغازات غير التفاعلية عديمة اللون والرائحة، ولها استخدامات عملية متنوعة. في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نقارن بين الخواص الفيزيائية للغازات النبيلة واستخداماتها، ونشرح السبب في كونها غير تفاعلية بدلالة ملء الغلاف الإلكتروني.

الغازات النبيلة هي مجموعة من العناصر الواردة في الجدول الدوري. وتوجد هذه العناصر في العمود الموجود في أقصى اليمين، وتعرف باسم المجموعة الـ 18 أو في بعض الأحيان المجموعة ثمانية، وذلك بناء على الصف الذي تنظر إليه في الجدول الدوري؛ فقد يكون العمود الـ 18 أو الثامن. ويشار إلى هذه المجموعة أحيانًا بالمجموعة صفر؛ لأن ذرات هذه العناصر لا تحتاج إلى اكتساب أو فقد أي إلكترونات لملء غلافها الإلكتروني الخارجي. وتتضمن الغازات النبيلة الهليوم والنيون والأرجون والكريبتون والزينون والرادون والأوجانيسون. آخر هذه العناصر، الأوجانيسون، هو عنصر اصطناعي ينتج فقط في المختبرات بكميات صغيرة. لذا قد نتجاهله في بعض الأسئلة أو المقارنات بغرض التبسيط.

أبرز خواص الغازات النبيلة هي أنها خاملة، أي إنها لا تتفاعل مع الذرات أو الجزيئات الأخرى. وفي الواقع، هذا الخمول هو سبب تسميتها. فيعتبر عادة الهدوء وعدم التفاعل في وجود المثيرات من شيم النبلاء. لذلك، سميت هذه الغازات غير التفاعلية بالغازات النبيلة. وجدير بالملاحظة أن هناك بعض المركبات التي يمكن أن تتكون من الغازات النبيلة وعناصر أخرى في ظروف قصوى. ولكن هذه المركبات استثناءات. فغالبًا لا تتفاعل الغازات النبيلة، وهو ما يجعلنا نتساءل لماذا هذه الغازات غير تفاعلية إلى هذا الحد؟ للإجابة عن هذا السؤال، يمكننا النظر إلى أغلفتها الإلكترونية.

تحيط الإلكترونات السالبة الشحنة بنواة الذرة في طبقات تسمى الأغلفة الإلكترونية. والغلاف الداخلي الأول يستوعب إلكترونين. ويمكن للغلاف الثاني أن يستوعب ثمانية إلكترونات. ويختلف الغلافان التاليان قليلًا عن الغلافين الأولين. ولكن للتبسيط، نقول إن الغلاف الإلكتروني الثالث يمكنه استيعاب ثمانية إلكترونات، بينما يمكن للغلاف الرابع استيعاب 18 إلكترونًا. ومن المثير للاهتمام أن هناك علاقة بين عدد الإلكترونات في أي غلاف وعدد العناصر في صف ما بالجدول الدوري، غير أننا غالبًا نستخدم هذا النمط فقط حتى العنصر الـ 20. ويجب أن نلاحظ أنه بعد الدورتين الثالثة والرابعة من الجدول الدوري، يمكن إضافة المزيد من الإلكترونات إلى الغلافين الإلكترونيين الثالث والرابع. وفي النهاية، يمكن أن يستوعب الغلاف الإلكتروني الثالث 18 إلكترونًا، ويستوعب الغلاف الرابع 32 إلكترونًا. ونكرر أن القيمتين، ثمانية و 18، المشار إليهما هنا للتبسيط.

الغلاف الإلكتروني الأول يمتلئ بإلكترونين. فالإلكترونان الموجودان في ذرة الهليوم، وهو العنصر الثاني الموجود في الصف، يملآن الغلاف الأول بالكامل. أما الغلاف الإلكتروني الثاني، فيمتلئ بثمانية إلكترونات. إذن فالإلكترونات من الثالث إلى العاشر الموجودة في النيون، وهو العنصر الثامن في الصف الثاني، ستملأ الغلاف الثاني بالكامل. باتباع هذا النمط، يمكننا أن نرى أن إلكترونات الأرجون الـ 18 تملأ أول ثلاثة أغلفة طاقة. وبينما نميل إلى استخدام نموذج الأغلفة الإلكترونية هذا حتى الكالسيوم فقط، وهو العنصر الـ 20، يمكننا القول للتبسيط إن جميع الغازات النبيلة لها أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة. في الحقيقة، سيوضح لك العمود أو المجموعة التي ينتمي لها العنصر بعدد الإلكترونات الموجودة في الغلاف الإلكتروني الخارجي لذراته.

ذرات عناصر المجموعة الأولى، مثل الليثيوم، المعروفة باسم الفلزات القلوية، بها إلكترون واحد في الغلاف الخارجي. وذرات عناصر المجموعة الثانية، مثل البريليوم، المعروفة باسم الفلزات القلوية الترابية، بها إلكترونان في الغلاف الخارجي. وذرات الهالوجينات، أي العناصر الموجودة في المجموعة الثانية من اليمين، بها غلاف إلكتروني خارجي ينقصه إلكترون واحد ليكون مكتملًا، وفي حالة الفلور، يبلغ العدد سبعة إلكترونات. ويستمر هذا النمط إلى العنصر الـ 20، وهو الكالسيوم. عدد العناصر الموجودة في الصف هو عدد الإلكترونات في الغلاف الخارجي لذرة هذا العنصر.

لقد تعلمنا الكثير عن الأغلفة الإلكترونية، لكننا حتى الآن لا نعرف لماذا يؤدي اكتمال الغلاف الإلكتروني الخارجي إلى جعل الغاز غير تفاعلي. لنلق نظرة على مثال للإجابة عن هذا السؤال. المغنيسيوم فلز لونه فضي، وكثيرًا ما نشتريه في شكل سلك مستو ومرن. إذا عرضنا فلز المغنيسيوم إلى لهب، فسنحصل على ضوء أبيض كثيف. ويصبح الجزء الذي احترق من السلك مادة مفتتة رمادية اللون تشبه الرماد. وهذه المادة الجديدة هي أكسيد المغنيسيوم. فقد اتحد فلز المغنيسيوم مع الأكسجين الموجود في الهواء بنسبة واحد إلى واحد لكل ذرة لتكوين جزيء جديد.

المغنيسيوم الموجود في المجموعة الثانية لديه إلكترونان في الغلاف الخارجي. ويحتوي الأكسجين الموجود في المجموعة السادسة على ستة إلكترونات في الغلاف الخارجي، أي ينقصه إلكترونان ليكتمل غلافه الخارجي. عند اتحاد المغنيسيوم والأكسجين لتكوين أكسيد المغنيسيوم، يمنح المغنيسيوم إلكترونين إلى الأكسجين ليفرغ بذلك غلافه الخارجي، ما ينتج عنه غلاف خارجي أصغر مكتمل، بالإضافة إلى اكتمال الغلاف الخارجي للأكسجين أيضًا. إذن، فإن الأيونين الناتجين، وهما ‪Mg2+‬‏ و‪O2−‬‏، يكونان رابطة بفعل الجذب الكهروستاتيكي، ما يشكل مركبًا صيغته الكيميائية ‪MgO‬‏. عادة ما تكون الذرات أيونات ومركبات ينتج عنها أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة، وهو ما يسمى قاعدة الثمانيات التي تشير إلى المجموعة المكونة من ثمانية إلكترونات التي تملأ الغلاف الإلكتروني الثاني أو الثالث.

إذن بمعرفة محتويات الأغلفة الإلكترونية الخارجية للذرات، يمكننا أن نتوقع التفاعلات التي ستحدث والمركبات التي ستتكون. ومرة أخرى، من الجدير بالملاحظة أنه بعد عنصر الكالسيوم في الجدول الدوري، تعمل الأغلفة الإلكترونية بطريقة مختلفة قليلًا. إذن قاعدة الثمانيات ليست مفيدة في هذه الحالة. بالعودة إلى الغازات النبيلة، نظرًا لأن هذه الغازات لها بالفعل أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة، فمن المنطقي أن تكون غير تفاعلية. فالعناصر الأخرى تتفاعل للحصول على توزيع إلكتروني أكثر استقرارًا للإلكترونات عن طريق ملء الأغلفة الخارجية. لكن الغازات النبيلة لديها التوزيع الأنسب بالفعل. في الواقع، واحد بالمائة تقريبًا من الغلاف الجوي المحيط بتفاعل أكسيد المغنيسيوم هو غاز الأرجون النبيل الذي يظل في حالة خمول ولا يشارك في التفاعل. وتوجد غازات نبيلة أخرى في الغلاف الجوي بكميات أقل بكثير أيضًا.

يمكننا تشبيه ذلك بطلاب معهم بطاقات للتبادل، وتحتوي المجموعة الكاملة على ثماني بطاقات. قد يكون الطلاب الذين لديهم بطاقة أو بطاقتان أكثر اقتناعًا بالتخلي عن بطاقاتهم، بينما سيحاول الطلاب الذين لديهم ست أو سبع بطاقات الحصول على البطاقات المتبقية في المجموعة. والطلاب الذين لديهم بالفعل مجموعة كاملة مكونة من ثماني بطاقات من المستبعد أن يقوموا بأي عمليات تبادل من شأنها تفكيك مجموعتهم المكتملة.

شيء آخر علينا معرفته عن تركيب الغازات النبيلة هو أنها غازات أحادية الذرة. وهذا يعني أن عينات الغازات النبيلة تتكون من وحدات من ذرة واحدة من العنصر. وهناك نوع آخر من الغازات، وهو الغازات الثنائية الذرة التي يكون بها جزيئات مكونة من ذرتين مرتبطتين معًا. الغازات النبيلة غازات أحادية الذرة، وكذلك الأشكال الغازية للعديد من العناصر الأخرى. تتضمن الغازات الثنائية الذرة غاز الهيدروجين وغاز النيتروجين وغاز الأكسجين والأشكال الغازية لمعظم الهالوجينات. الغازات النبيلة لها أيضًا درجات غليان منخفضة. ونظرًا لكونها غازات أحادية الذرة، فلديها قوى بين جزيئية ضعيفة نسبيًّا مقارنة بالغازات الثنائية الذرة والأيونات والمركبات القطبية.

وقوى الجذب الأساسية تسمى قوى لندن التشتتية. وتوجد هذه القوى بين الذرات غير القطبية أو الذرات التي لها توزيع من الإلكترونات يكفي لمنع تكون شحنة جزئية. ومع ذلك، يمكن للذرات أن تكون شحنات جزئية قصيرة العمر يرمز لها هنا بالرمزين ‪𝛿+‬‏ و‪𝛿−‬‏ عند تجمع الإلكترونات معًا. يمكن أن تظهر هذه التجمعات الإلكترونية تلقائيًّا أو بسبب تجمع الإلكترونات في ذرة قريبة. ويتسبب وجود هذه الشحنات الجزئية القريبة المتضادة في جذب كهروستاتيكي لمدة وجيزة. لكن هذا الجذب أضعف بكثير من الجذب بين الجزيئات ذات الشحنات الأشد قوة أو الشحنات الجزئية الموجودة مسبقًا مثل أيونات أو ذرات مادة قطبية. ولأن هذه العملية تصف الجزيئات ذات الشحنات أو الأقطاب القصيرة العمر، نسمي أيضًا هذه القوى تداخلات ثنائيات الأقطاب اللحظية.

وكلمة ثنائي القطب هي كلمة تعبر عن جسيم ذي شحنات جزئية. وتعني القوى بين الجزيئية الضعيفة أن الغازات النبيلة لها درجات غليان منخفضة جدًّا. فكلما كانت قوة الجذب بين الجزيئات أضعف، كان من الأسهل أن تنفصل الجزيئات إلى الحالة الغازية عند تسخينها، وكانت درجة غليانها أقل. درجات غليان جميع الغازات النبيلة منخفضة، بداية من درجة غليان الهليوم عند بضع درجات فوق الصفر المطلق إلى درجة غليان الرادون عند سالب 62 درجة سلزية. وأحد الأنماط الجديرة بالملاحظة هنا هو أن درجة الغليان داخل المجموعة تزداد كلما تحركنا إلى أسفل في الجدول الدوري. فلماذا يحدث ذلك؟

منذ لحظات تحدثنا عن كيفية تكوين القوى بين الجزيئية في الغاز النبيل لشحنة جزئية مؤقتة نتيجة تجمع الإلكترونات. حسنًا، عندما نتحرك إلى أسفل في الجدول الدوري ويزداد عدد الإلكترونات في الذرة، يزيد عدد الإلكترونات في هذه التجميعات التلقائية، ما يزيد من شدة الشحنات الجزئية المؤقتة وقوة الجذب الكهروستاتيكي الناتج. فإذا كانت قوى الجذب أشد، تبقى الجزيئات في مكانها بإحكام ويصبح من الصعب تبخيرها إلى غازات، ما يرفع من درجة غليانها. تزيد درجة الغليان كلما تحركنا لأسفل في المجموعة نظرًا لأن وجود المزيد من الإلكترونات يؤدي إلى عوامل جذب أقوى، ما ينتج عنه درجة غليان أعلى.

إن خصائص الغازات النبيلة تجعلها مفيدة جدًّا في التطبيقات الحياتية. فالأرجون يستخدم في مصابيح الإنارة. يمنع الغاز النبيل غير المتفاعل الخيوط داخل المصباح من التأكسد أو التآكل، وبذلك يمنع تغير التركيب الكيميائي للمادة داخل المصباح ويقلل من احتمالات نشوب حريق خطير. والهليوم، الذي تبلغ درجة غليانه سالب 269 درجة سلزية بالقرب من الصفر المطلق، يستخدم في المبردات ذات درجة الحرارة المنخفضة لأنه يظل غازًا في درجات الحرارة المنخفضة للغاية. وما يسمى لافتات النيون، التي تراها على واجهات المتاجر، تتكون من أنابيب مكهربة من الغازات النبيلة المنخفضة الضغط. يعتمد لون الضوء على الغاز النبيل المستخدم، ومن ثم لا يكون مصباح نيون بالفعل إلا إذا كان له ضوء برتقالي مائل إلى الأحمر. أما الاستخدام الأكثر شيوعًا للغازات النبيلة، فهو بالون الهليوم البسيط.

بما أن الكتلة الذرية للهليوم منخفضة نسبيًّا، وجزيئات الغاز المثالي تشغل نفس المساحة بغض النظر عن الكتلة، فإن الهليوم باعتباره غازًا له كثافة منخفضة للغاية، ما يسمح لبالونات الهليوم بالطفو في الهواء. ويمكنك الحصول على بالون أكثر طفوًا إذا ملأته بغاز الهيدروجين الأخف وزنًا والأقل كثافة. لكن غاز الهيدروجين الأكثر تفاعلية يمكن أن يشتعل وينفجر. لذا فمن الأفضل استخدام الهليوم في حفلات أعياد الميلاد. لسوء الحظ، تتضاءل إمدادات الأرض من الهليوم، وله مجموعة متنوعة من الاستخدامات المهمة، فهو يستخدم في تبريد أجهزة التصوير الطبية والحواسيب الفائقة. إذن ربما لا يكون الطفو في الهواء أهم ما يقدمه الهليوم.

والآن بعد أن تعلمنا التركيب الذري للغازات النبيلة وخصائصها واستخداماتها، دعونا نتدرب قليلًا على تطبيق ما تعلمناه.

أي من التالي يمثل التوزيع الإلكتروني لغاز نبيل؟ (أ) واحد، (ب) اثنان، ثمانية، اثنان، (ج) اثنان، أربعة، (د) اثنان، ستة، (هـ) اثنان، ثمانية.

يحدد التوزيع الإلكتروني عدد الإلكترونات الموجودة في كل غلاف إلكتروني للذرة. على سبيل المثال، الخيار (هـ) اثنان، ثمانية يشير إلى وجود إلكترونين في الغلاف الأول وثمانية إلكترونات في الغلاف الثاني. للإجابة عن هذا السؤال، نحتاج إلى معرفة أن الغلاف الإلكتروني الأول يستوعب إلكترونين. أما الغلاف الإلكتروني الثاني، فيستوعب ثمانية إلكترونات. وللتبسيط، يمكننا القول إن الغلاف الإلكتروني الثالث يمكنه استيعاب ثمانية إلكترونات، ويمكن للغلاف الإلكتروني الرابع استيعاب 18 إلكترونًا. والمعلومة المهمة الأخرى التي يجب تذكرها هي أن الغازات النبيلة لها أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة.

إذن أي الخيارات المتاحة هنا لديه غلاف إلكتروني مكتمل؟ يحتوي الخيار (أ) على إلكترون واحد فقط من الإلكترونين اللازمين لملء الغلاف الأول. وبما أن الأغلفة الإلكترونية تملأ من الداخل إلى الخارج، فإن العدد الأخير يمثل الغلاف الإلكتروني الخارجي. يحتوي الخيار (ب) على اثنين فقط من الإلكترونات الثمانية اللازمة لملء الغلاف الإلكتروني الثالث. من بين الخيارات الثلاثة المتبقية، أي الخيارات به العدد الصحيح من الإلكترونات لملء الغلاف الإلكتروني الثاني؟ الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ) اثنان، ثمانية، حيث توجد به الإلكترونات الثمانية اللازمة لملء الغلاف الإلكتروني الثاني.

هناك طريقة أخرى لحل هذه المسألة، وهي تحديد العنصر الذي يتوافق مع كل توزيع إلكتروني، وتحديد الغاز النبيل منها. العنصر الذي تحتوي ذراته على إلكترون واحد فقط، العنصر رقم واحد، هو الهيدروجين. العنصر الذي تحتوي ذراته على 12 إلكترونًا هو المغنيسيوم. العنصر رقم ستة، الذي تحتوي ذراته على ستة إلكترونات، هو الكربون. العنصر رقم ثمانية هو الأكسجين. وأخيرًا، العنصر الذي تحتوي ذراته على 10 إلكترونات هو النيون. النيون هو الغاز النبيل الوحيد بين العناصر الخمسة هنا، لذا فهو الإجابة الصحيحة. الخيار (هـ) يوضح التوزيع الإلكتروني الصحيح للنيون.

في أسئلة كهذه، يجب أن نتحقق من أن التوزيع الذي يشمل 10 إلكترونات هو بالفعل التوزيع الإلكتروني للنيون وليس توزيعًا إلكترونيًّا غير صحيح يحتوي على 10 إلكترونات. تملأ الـ 10 إلكترونات الموجودة في النيون الغلافين الإلكترونيين الأول والثاني بالكامل. وبما أن الذرات تميل إلى تكوين أيونات ومركبات ينتج عنها غلاف إلكتروني مكتمل كامل، وبما أن الغازات النبيلة لها بالفعل أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة، فإن النتيجة هي أن الغازات النبيلة غير تفاعلية بدرجة كبيرة. إذن أي من التالي يمثل التوزيع الإلكتروني لغاز نبيل؟ الإجابة هي الخيار (هـ) اثنان، ثمانية.

بعد أن أجرينا تدريبًا بسيطًا، دعونا الآن نستعرض النقاط الأساسية التي تناولها الفيديو. يمكن إيجاد الغازات النبيلة في العمود الموجود في أقصى يمين الجدول الدوري، ويعرف بالمجموعة 18 أو في بعض الأحيان بالمجموعة ثمانية أو بالمجموعة صفر. الغازات النبيلة لها أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة، ما يجعلها غير تفاعلية بدرجة كبيرة لأن الغلاف الإلكتروني الخارجي المكتمل هو بالفعل التوزيع الأكثر استقرارًا للإلكترونات. والغازات النبيلة غازات أحادية الذرة، أي تتكون من وحدات من ذرة واحدة.

تتسم أيضًا قوى الجذب بين ذرات أي غاز نبيل بالضعف النسبي عند مقارنتها بالقوى الموجودة في الغازات الثنائية الذرة أو المواد ذات الشحنات أو الشحنات الجزئية. ونتيجة للقوى بين الجزيئية الضعيفة، تكون درجة غليان الغازات النبيلة منخفضة جدًّا، إذ تكون الجزيئات أكثر قدرة على التبخر متحولة إلى الحالة الغازية. ومن الخصائص البارزة الأخرى للغازات النبيلة أنها عديمة الرائحة وعديمة اللون. وأخيرًا، للغازات النبيلة مجموعة متنوعة من الاستخدامات الحياتية، مثل استخدامها في المبردات والتصوير الطبي والإضاءة والبالونات.

انضم إلى نجوى كلاسيز

شارك في الحصص المباشرة على نجوى كلاسيز وحقق التميز الدراسي بإرشاد وتوجيه من معلم خبير!

  • حصص تفاعلية
  • دردشة ورسائل
  • أسئلة امتحانات واقعية

تستخدم «نجوى» ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. اعرف المزيد عن سياسة الخصوصية